CN113757474B - 异形三通管道及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异形三通管道及其制造方法，制造方法包括以下步骤：S1、通过电弧增材技术依次在基板的相对两个表面上打印出坯体；S2、将基板加工为与坯体的管体同心的圆形板；S3、通过电弧增材技术在管体远离基板的端面上打印出直管段；S4、对直管段和管体的内壁进行加工；S5、对基板进行铣削；S6、对异形凸起进行铣削；S7、对两个管体的背向回水母管的对接侧面进行打磨，形成向回水母管方向凹设的凹面。本发明的异形三通管道的制造方法，基于电弧增材技术配合机加工获得，较于现有的铸造生产工艺，简化了加工工序，缩短制造周期，解决了关键的结构突变部分和内表面机加工问题，确保了零部件达到合理的尺寸精度。

Description

异形三通管道及其制造方法
技术领域
本发明涉及核电设备技术领域，尤其涉及一种异形三通管道的制造方法。
背景技术
应急柴油发电机是核电站必不可少的保障设备，主要功能是为核岛设备实施应急供电。应急柴油机冷却水系统为柴油机自身运行提供稳定冷源，而核电应急柴油机冷却水管道主要用于收集柴油缸头冷却水，属于异形三通结构，应急柴油发电机运行时本体振动较大，引起冷却水管道的振动也相对较大。冷却水管道在振动条件下可能产生裂纹，再加上长期冷却水介质的冲蚀，容易出现因材料腐蚀失效而导致的管道泄漏及断裂等现象。
另外，目前的冷却水管道大都采用铸造生产工艺制得，由于核电应急柴油机冷却水管道属于异形三通管道，结构复杂、壁厚不均，铸造开模难度大，工序复杂，极易造成潜在加工制造缺陷，尺寸均一性差。同时，由于铸造生产工艺的特点导致此类异型三通管道结构突变部分以及关键内表面部分，很难实现合理的机加工，进而无法确保要求的尺寸精度，影响应急柴油机的正常运行。
电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacture，WAAM)是一种利用逐层熔覆原理，采用电弧为热源，通过丝材的添加，在程序的控制下，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成形出金属零件的先进数字化制造技术。目前虽有较多采用增材制造工艺开展核电领域常规部件的打印制备研究，但尚无应用在核电应急柴油机冷却水管道此类异型三通管道的高精度机加工上。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于电弧增材技术的异形三通管道的制造方法以及制得的异形三通管道。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种异形三通管道的制造方法，包括以下步骤：
S1、通过电弧增材技术依次在基板的相对两个表面上打印出坯体；每一坯体包括垂直连接在基板的表面上的管体和矩形板、形成在管体外周的异形凸起、连接在管体和矩形板之间的侧边体；
S2、将所述基板加工为与所述管体同心的圆形板；
S3、通过电弧增材技术在所述管体远离基板的端面上打印出直管段；
每一直管段与所在的所述管体轴向相接形成异形三通管道的进水分管；
S4、对所述直管段和管体的内壁进行加工，使内径达到目标内径；
S5、对所述基板进行铣削，使其外周平齐连接在两个所述坯体之间，并在两个对接的矩形板上铣出贯穿所述侧边体并连通所述管体的通孔，使所述侧边体形成回水母管，两个矩形板对接形成第一法兰；
S6、对所述异形凸起进行铣削，使其形成在所述管体上并与第一法兰相背的第二法兰；
S7、对两个所述管体的背向回水母管的对接侧面进行打磨，形成向回水母管方向凹设的凹面。
优选地，步骤S1包括：
S1.1、将基板平放并定位在打印平台上，通过电弧增材技术在所述基板的一表面上打印出一坯体；
S1.2、翻转所述基板，使带有所述坯体的一表面朝下，通过电弧增材技术在所述基板相对的另一表面上打印出另一坯体；
两个所述坯体呈镜像连接在所述基板的相对两表面上。
优选地，所述坯体与所述基板由相同材料形成。
优选地，步骤S1中，所述异形凸起包覆所述管体的除朝向所述矩形板的一面外的其他侧面上；
所述异形凸起沿所述管体的轴向方向延伸，所述异形凸起的厚度自靠近所述基板的一端到远离所述基板的另一端逐渐增大。
优选地，步骤S2包括：
S2.1、对所述管体的内壁进行加工，使所述管体的内径达到第一内径；所述第一内径小于所述管体的目标内径；
S2.2、以所述基板为基准，对所述管体远离所述基板的端面进行加工，使所述端面与所述基板相平行；
S2.3、以所述管体的内周为基准，将所述基板加工为外径大于所述坯体的外周尺寸的圆形板。
优选地，步骤S3包括：
S3.1、在朝上的一所述坯体上打印出一直管段，所述直管段与所述坯体的管体轴向相接且相连通；
S3.2、翻转所述基板，将另一所述坯体朝上，在该坯体上打印出另一直管段，该直管段与所在的所述坯体的管体轴向相接且相连通。
优选地，步骤S4包括：
S4.1、以所述基板的外圆轮廓为基准，对所述直管段的内壁和外壁进行加工，使所述直管段的内周和外周与所述基板同轴，并且使所述直管段的内径达到第一内径；
S4.2、对所述直管段和管体的内壁进行加工，使所述直管段和管体的内径均达到目标内径。
优选地，步骤S5包括：
S5.1、将所述坯体平放并定位在加工平台上，使所述坯体的矩形板朝上；
S5.2、对凸出所述矩形板表面的基板部分进行铣削，直至位于两个所述矩形板之间的基板侧面平齐所述矩形板的表面，使两个所述矩形板平齐对接为一法兰板；
S5.3、在所述法兰板上铣出贯穿所述侧边体并连通所述管体的通孔，所述法兰板形成异形三通管道的第一法兰；
S5.4、将所述坯体绕其轴向翻转180°后进行定位，使两个所述坯体的背向所述第一法兰的对接侧面朝上；
S5.5、对凸出所述对接侧面的基板部分进行铣削，直至位于所述对接侧面之间的基板侧面平齐所述对接侧面；
S5.6、将所述坯体绕其轴向翻转90°后进行定位，对凸出所述侧边体一侧的基板部分进行铣削，直至位于两个所述侧边体的一侧之间的基板侧面平齐连接在两个所述侧边体之间；
S5.7、将所述坯体绕其轴向翻转180°后进行定位，对凸出所述侧边体另一侧的基板部分进行铣削，直至位于两个所述侧边体的另一侧之间的基板侧面平齐连接在两个所述侧边体之间，使两个所述侧边体对接形成异形三通管道的回水母管。
优选地，步骤S6包括：
S6.1、使所述坯体以背向所述第一法兰的侧面朝上并定位，对所述异形凸起进行铣削，在所述坯体的管体上形成第二法兰；
S6.2、将所述坯体绕其轴向翻转180°后进行定位，对所述异形凸起的其余部分进行铣削，在所述管体的相对两侧形成两个凸柱，两个所述凸柱分别垂直连接所述第二法兰的两端；
S6.3、在所述第二法兰上加工出连通所述进水分管的出水孔；在所述凸柱上加工出中心孔并贯穿所述第二法兰的端部，形成所述第二法兰的法兰孔。
优选地，所述第二法兰为菱形法兰。
本发明提供一种异形三通管道，由以上任一项所述的制造方法制得的，所述异形三通管道包括回水母管、两个在轴向上相对并与所述回水母管相垂直的进水分管；两个所述进水分管相向的一端分别向所述回水母管方向弯曲后相接并连接所述回水母管；
所述回水母管远离所述进水分管的端面设有第一法兰；每一所述进水分管背向所述回水母管的侧面上设有第二法兰，所述第二法兰上设有连通所述进水分管的出水孔；
所述第二法兰的两端分别凸出所述进水分管的相对两侧，所述进水分管的相对两侧分别设有凸柱与所述第二法兰的两端相垂直连接；所述凸柱设有中心孔并贯穿所述第二法兰，形成所述第二法兰的法兰孔。
本发明的异形三通管道的制造方法，基于电弧增材技术打印出异形三通管道的坯体，配合机加工的方式获得所需尺寸和精准形状，较于现有的铸造生产工艺，简化了加工工序，缩短制造周期，解决了关键的结构突变部分和内表面机加工问题，确保了零部件达到合理的尺寸精度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的异形三通管道的结构示意图；
图2是本发明的异形三通管道的制造方法中在基板上打印成型的坯体的结构示意图；
图3是在图2所示坯体上打印成型直管段后的结构示意图；
图4是对图3所示结构上位于坯体之间的基板的加工流程示意图(剖状态)；
图5是本发明的异形三通管道的制造方法中对异形凸起进行加工的流程示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明的异形三通管道，可用作核电应急柴油机冷却水管道，其可包括一回水母管10和两个进水分管20。两个进水分管20在轴向上相对并与回水母管10的轴向相垂直。两个进水分管20相向的一端分别向回水母管10方向弯曲后相接并连接回水母管10，这样使得两个进水分管20的连接处为向回水母管10方向凹设的凹面200，并非与进水分管20的轴向表面相平齐。
回水母管10远离进水分管20的端面设有第一法兰30，其上设有数个间隔布置的法兰孔(未图示)。该第一法兰30的外周为方形，法兰孔可设置在其对角处。
每一进水分管20背向回水母管10的侧面上设有第二法兰40，第二法兰40上设有连通进水分管20的出水孔400。
对于异形三通管道，第二法兰40的两端分别凸出进水分管20的相对两侧，进水分管20的相对两侧分别设有凸柱50，两个凸柱50分别与第二法兰40的两端相垂直连接；凸柱50设有中心孔，中心孔贯穿第二法兰40，形成第二法兰40的法兰孔500。
根据应急柴油发电机上较为狭窄的安装区域，异形三通管道与其第一法兰30朝上与回水管路进行连接，；两个进水分管20分别向两侧延伸并分离对于进水管路对接；第二法兰40朝下连接在应急柴油发电机顶部。
第一法兰30优选为方形法兰；第二法兰40优选为菱形法兰。
本发明的异形三通管道通过电弧增材技术结合机加工制造而成，结合图1-5，其制造方法可包括以下步骤：
S0、建模：根据异形三通管道的结构，将其分为轴向上相接的两管段，两管段相对于异形三通管道的中部对称；建立需要电弧增材技术打印出来的管段的坯体模型。
S1、提供一基板1，将基板1定位在打印平台上，通过电弧增材技术依次在基板1的相对两个表面上打印出坯体2。
参考图2，该步骤S1具体可包括：
S1.1、将基板1进行定位后，通过电弧增材技术在基板1的一表面上打印出一坯体2。
S1.2、翻转基板1，使基板1的带有坯体2的一表面朝下，通过电弧增材技术在基板1相对的另一表面上打印出另一坯体2；两个坯体2呈镜像连接在基板1的相对两表面上。
其中，基板1优选水平放置并定位，先在基板1朝上的一表面打印出一坯体2，再将基板翻转180°，使基板1的另一表面朝上并接着在该表面上打印出另一坯体2。
基板1不仅作为打印时的基底平台，还与两个坯体2连接形成一体，作为两个坯体2的连接结构，也形成异形三通管道的部分，因此基板1与坯体2由相同材料形成。例如，基板1为碳钢板，通过电弧增材技术打印坯体2时采用的焊丝为碳钢焊丝。打印时，打印头按照预设路径在基板1表面上逐层堆叠，直至形成整体的坯体2。
结合图1、2，每一坯体2包括垂直连接在基板1的表面上的管体21和矩形板22、形成在管体21外周的异形凸起23、连接在管体21和矩形板22之间的侧边体24。
其中，对应异形三通管道中回水母管10的结构，侧边体24为表面呈弧形的凸起，两个坯体2的侧边体24通过基板1对接可形成整个回水母管10的毛坯结构。同样地，两个坯体2的矩形板22通过基板1对接可形成回水母管10上第一法兰30的毛坯结构。管体21以其一侧(弧面)与矩形板22相隔相对，其他侧面均被异形凸起23包覆。
在图2所示实施例中，异形凸起23沿管体21的轴向方向延伸，异形凸起23的厚度自靠近基板1的一端到远离基板1的另一端逐渐增大，使得异形凸起23整体可类似倒三角形或者梯形。
S2、将基板1加工为与管体21同心的圆形板。
步骤S2进一步可包括：
S2.1、对管体21的内壁进行加工，使管体21的内径达到第一内径；第一内径小于管体21的目标内径。
该步骤主要对管体21的内壁进行粗加工，主要使得管体21的内壁平整光滑的同时，使管体21的内径向目标内径靠近。
例如，对于目标内径为74mm的管体21，该步骤对其内壁加工后，使内径达到72mm，单边留1mm的余量。
S2.2、以基板1为基准，对管体21远离基板1的端面进行加工，使端面与基板1相平行，同时通过对端面的磨削也可将管体21加工至预定长度。
S2.3、以管体21的内周为基准，将基板1加工为圆形板，该圆形板的外径大于坯体2的外周尺寸。
S3、通过电弧增材技术在管体21远离基板1的端面上打印出直管段3；
两个坯体2上的管体21均有直管段3；每一直管段3与所在的管体21轴向相接形成异形三通管道的进水分管20。
具体地，如图3所示，该步骤S3可包括：
S3.1、在朝上的一坯体2上打印出一直管段3，直管段3与坯体2的管体21轴向相接且相连通。
S3.2、翻转基板1，将另一坯体2朝上，在该坯体2上打印出另一直管段3，该直管段3与所在的坯体2的管体21轴向相接且相连通。
直管段3的长度可根据实际所需设定。
S4、对直管段3和管体21的内壁进行加工，使内径达到目标内径。
该步骤S4具体可包括：
S4.1、以基板1的外圆轮廓为基准，对直管段3的内壁和外壁进行加工，使直管段3的内周和外周与基板1同轴，并且使直管段3的内径达到第一内径。该第一内径与管体21加工时的第一内径相同。即：对于在步骤S2.1中，管体21加工后的内径为72mm时，该步骤S4.1中对直管段3的内径加工至72mm。
加工后，直管段3的内壁和管体21的内壁对齐相接。
S4.2、对直管段3和管体21的内壁进行加工，使直管段3和管体21的内径均达到目标内径。
相比于步骤S2.1和S4.1对内径的粗加工，该步骤S4.2对内径进行精加工，使得直管段3和管体21的内径达到异形三通管道中进水分管20的内径(如74mm)。
S5、根据异形三通管道中部的周向，对基板1进行铣削，去除基板1周向上多余部分，使其外周平齐连接在两个坯体2之间，并在两个对接的矩形板22上铣出贯穿侧边体24并连通管体21的通孔，使侧边体24形成回水母管10，两个矩形板22对接形成第一法兰30。
在一选择性实施方式中，参考图4，步骤S5包括：
S5.1、将坯体2(两个坯体2和基板1形成的整体)平放并定位在加工平台上，使坯体2的矩形板22朝上，如图4中(1)所示。
每一坯体2可通过V形或其他形状的固定夹进行固定，固定后在矩形板22朝上的表面进行找平。
S5.2、对凸出矩形板22表面(朝上的表面)的基板1部分进行铣削，直至位于两个矩形板22之间的基板侧面11平齐矩形板22的表面，使两个矩形板22平齐对接为一法兰板，如图4中(2)所示。
S5.3、在法兰板上铣出贯穿侧边体24并连通管体21的通孔110，法兰板形成异形三通管道的第一法兰30。
另外，在第一法兰30上铣出或钻出多个间隔分布的通孔，形成第一法兰30的法兰孔。
S5.4、将坯体2绕其轴向翻转180°后进行定位，使两个坯体2的背向第一法兰30的对接侧面210朝上。
S5.5、对凸出对接侧面210的基板部分进行铣削，直至位于对接侧面210之间的基板侧面12平齐对接侧面210，如图4中(3)至(4)所示。
S5.6、在图4中(4)所示结构基础上，将坯体2绕其轴向翻转90°后进行定位，对凸出侧边体24一侧的基板部分进行铣削，直至位于两个侧边体24的一侧之间的基板侧面平齐连接在两个侧边体24之间。
S5.7、将坯体2绕其轴向翻转180°后进行定位，对凸出侧边体24另一侧的基板部分进行铣削，直至位于两个侧边体24的另一侧之间的基板侧面平齐连接在两个侧边体24之间，使两个侧边体24的外周壁面平齐对接，两个侧边体24对接形成异形三通管道的回水母管10。
完成基板1的铣削后，两个坯体2对接的结构如图5中(1)所示；连接在两个侧边体24之间的基板部分也形成回水母管10的管壁部分。
S6、对异形凸起23进行铣削，使其形成在管体21上并与第一法兰30相背的第二法兰40，如图5中(1)至(2)所示。
步骤S6具体可包括：
S6.1、使坯体2(两个坯体2和基板1形成的整体)以背向第一法兰10的侧面朝上并定位，对异形凸起23进行铣削，在坯体2的管体21上形成第二法兰40。
S6.2、将坯体2绕其轴向翻转180°后进行定位，对异形凸起23的其余部分进行铣削，在管体21的相对两侧形成两个凸柱50，两个凸柱50分别垂直连接第二法兰40的两端。
S6.3、在第二法兰40上加工出连通进水分管20的出水孔400；在凸柱50上加工出中心孔并贯穿第二法兰40的端部，形成第二法兰40的法兰孔500。
在图5所示实施例中，第二法兰40为菱形法兰，其以两个对角端部凸出管体21的两侧，分布与两个凸柱50相接。
上述步骤S2、S4、S5及S6均可在数控车床上完成。
S7、对两个管体21的背向回水母管10的对接侧面210进行打磨，形成向回水母管10方向凹设的凹面200。打磨可采用直磨机实现。
通过上述步骤，获得异形三通管道。根据需要，还可以再对整个异形管道的外表面进行打磨，得到在要求范围内的粗糙度，还包括对第一法兰10的直角处进行倒角等等。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种异形三通管道的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过电弧增材技术依次在基板的相对两个表面上打印出坯体；每一坯体包括垂直连接在基板的表面上的管体和矩形板、形成在管体外周的异形凸起、连接在管体和矩形板之间的侧边体；
步骤S1包括：
S1.1、将基板平放并定位在打印平台上，通过电弧增材技术在所述基板的一表面上打印出一坯体；
S1.2、翻转所述基板，使带有所述坯体的一表面朝下，通过电弧增材技术在所述基板相对的另一表面上打印出另一坯体；
两个所述坯体呈镜像连接在所述基板的相对两表面上；
所述坯体与所述基板由相同材料形成；
S2、将所述基板加工为与所述管体同心的圆形板；
S3、通过电弧增材技术在所述管体远离基板的端面上打印出直管段；
每一直管段与所在的所述管体轴向相接形成异形三通管道的进水分管；
S4、对所述直管段和管体的内壁进行加工，使内径达到目标内径；
S5、对所述基板进行铣削，使其外周平齐连接在两个所述坯体之间，并在两个对接的矩形板上铣出贯穿所述侧边体并连通所述管体的通孔，使所述侧边体形成回水母管，两个矩形板对接形成第一法兰；
S6、对所述异形凸起进行铣削，使其形成在所述管体上并与第一法兰相背的第二法兰；
S7、对两个所述管体的背向回水母管的对接侧面进行打磨，形成向回水母管方向凹设的凹面。
2.根据权利要求1所述的异形三通管道的制造方法，其特征在于，步骤S1中，所述异形凸起包覆所述管体的除朝向所述矩形板的一面外的其他侧面上；
所述异形凸起沿所述管体的轴向方向延伸，所述异形凸起的厚度自靠近所述基板的一端到远离所述基板的另一端逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的异形三通管道的制造方法，其特征在于，步骤S2包括：
S2.1、对所述管体的内壁进行加工，使所述管体的内径达到第一内径；所述第一内径小于所述管体的目标内径；
S2.2、以所述基板为基准，对所述管体远离所述基板的端面进行加工，使所述端面与所述基板相平行；
S2.3、以所述管体的内周为基准，将所述基板加工为外径大于所述坯体的外周尺寸的圆形板。
4.根据权利要求1所述的异形三通管道的制造方法，其特征在于，步骤S3包括：
S3.1、在朝上的一所述坯体上打印出一直管段，所述直管段与所述坯体的管体轴向相接且相连通；
S3.2、翻转所述基板，将另一所述坯体朝上，在该坯体上打印出另一直管段，该直管段与所在的所述坯体的管体轴向相接且相连通。
5.根据权利要求1所述的异形三通管道的制造方法，其特征在于，步骤S4包括：
S4.1、以所述基板的外圆轮廓为基准，对所述直管段的内壁和外壁进行加工，使所述直管段的内周和外周与所述基板同轴，并且使所述直管段的内径达到第一内径；
S4.2、对所述直管段和管体的内壁进行加工，使所述直管段和管体的内径均达到目标内径。
6.根据权利要求1所述的异形三通管道的制造方法，其特征在于，步骤S5包括：
S5.1、将所述坯体平放并定位在加工平台上，使所述坯体的矩形板朝上；
S5.2、对凸出所述矩形板表面的基板部分进行铣削，直至位于两个所述矩形板之间的基板侧面平齐所述矩形板的表面，使两个所述矩形板平齐对接为一法兰板；
S5.3、在所述法兰板上铣出贯穿所述侧边体并连通所述管体的通孔，所述法兰板形成异形三通管道的第一法兰；
S5.4、将所述坯体绕其轴向翻转180°后进行定位，使两个所述坯体的背向所述第一法兰的对接侧面朝上；
S5.5、对凸出所述对接侧面的基板部分进行铣削，直至位于所述对接侧面之间的基板侧面平齐所述对接侧面；
S5.6、将所述坯体绕其轴向翻转90°后进行定位，对凸出所述侧边体一侧的基板部分进行铣削，直至位于两个所述侧边体的一侧之间的基板侧面平齐连接在两个所述侧边体之间；
S5.7、将所述坯体绕其轴向翻转180°后进行定位，对凸出所述侧边体另一侧的基板部分进行铣削，直至位于两个所述侧边体的另一侧之间的基板侧面平齐连接在两个所述侧边体之间，使两个所述侧边体对接形成异形三通管道的回水母管。
7.根据权利要求6所述的异形三通管道的制造方法，其特征在于，步骤S6包括：
S6.1、使所述坯体以背向所述第一法兰的侧面朝上并定位，对所述异形凸起进行铣削，在所述坯体的管体上形成第二法兰；
S6.2、将所述坯体绕其轴向翻转180°后进行定位，对所述异形凸起的其余部分进行铣削，在所述管体的相对两侧形成两个凸柱，两个所述凸柱分别垂直连接所述第二法兰的两端；
S6.3、在所述第二法兰上加工出连通所述进水分管的出水孔；在所述凸柱上加工出中心孔并贯穿所述第二法兰的端部，形成所述第二法兰的法兰孔。
8.根据权利要求7所述的异形三通管道的制造方法，其特征在于，所述第二法兰为菱形法兰。
9.一种异形三通管道，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的制造方法制得的，所述异形三通管道包括回水母管、两个在轴向上相对并与所述回水母管相垂直的进水分管；两个所述进水分管相向的一端分别向所述回水母管方向弯曲后相接并连接所述回水母管；
所述回水母管远离所述进水分管的端面设有第一法兰；每一所述进水分管背向所述回水母管的侧面上设有第二法兰，所述第二法兰上设有连通所述进水分管的出水孔；
所述第二法兰的两端分别凸出所述进水分管的相对两侧，所述进水分管的相对两侧分别设有凸柱与所述第二法兰的两端相垂直连接；所述凸柱设有中心孔并贯穿所述第二法兰，形成所述第二法兰的法兰孔。
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